Apresentando vantagens como baixo consumo de energia e menor custo operacional os processos anaeróbios têm sido largamente utilizados para o tratamento de efluentes nas indústrias de bebidas
Por Paulo de Lamo e Nivaldo Dias
Considerando vantagens como: baixo consumo de energia elétrica, pequena geração de lodo biológico excedente, menor área ocupada e menor custo operacional, os processos anaeróbios têm sido amplamente utilizados para o tratamento dos efluentes das indústrias de bebidas (cervejas, refrigerantes). Os bons resultados alcançados com os Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com Leito de Lodo (UASB) estimularam o desenvolvimento de uma nova geração de reatores anaeróbios utilizando o conceito de Leito Expandido (EGSB), onde se busca aproveitar as boas condições de sedimentabilidade do lodo anaeróbio granulado aplicando maiores velocidades ascensionais e maiores cargas orgânicas. Dentre as várias alternativas patenteadas com esse novo conceito, destaca-se o Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC), caracterizado pela separação do biogás em dois estágios dentro do reator, pela elevada relação altura/diâmetro e pela recirculação interna do efluente movida pela produção de biogás. O reator IC pode operar com elevadas velocidades ascensionais de líquido e gás, o que o torna mais viável economicamente para o tratamento de efluentes de baixas e médias concentrações encontradas nas indústrias de bebidas. Neste artigo descrevemos esse novo reator anaeróbio, suas vantagens em relação ao UASB e apresentamos o dimensionamento comparativo para uma indústria de bebidas.
Para tornar viáveis os processos biológicos para o tratamento de efluentes industriais são necessários equipamentos com elevadas capacidades de tratamento aliados à boa eficiência de remoção dos poluentes orgânicos. Na prática isso significa que um reator industrial deve ser capaz de trabalhar com altas taxas de carregamentos orgânicos e baixos tempos de detenção. Os parâmetros que determinam a capacidade de um reator anaeróbio podem ser classificados em: fatores microbiológicos e físicos, como mostrados na Tabela 1.
Os fatores microbiológicos estão ligados a parâmetros fisiológicos como: temperatura, pH, alcalinidade e a presença de compostos inibidores. Nos últimos anos muitos estudos foram conduzidos buscando determinar a influência de cada um desses parâmetros e já estão especificados valores ótimos e faixas toleráveis para vários tipos de efluentes.
Estudos realizados demonstram que a atividade específica metanogênica da biomassa anaeróbia medida em reatores UASB em operação, pode ser muito maior que os valores usualmente encontrados (0,5 Kg DQO / Kg SSV.dia).
A limitação para um melhor aproveitamento desse potencial microbiano está relacionada aos projetos dos reatores anaeróbios no que diz respeito aos aspectos físicos:
1. Capacidade de retenção dos microrganismos e
2. Contato efluentes / microrganismos.
1. Retenção de microrganismos (Lodo Anaeróbio)
A capacidade de tratamento dos reatores anaeróbios UASB está limitada pela pouca habilidade de retenção do lodo anaeróbio dentro do reator. Para efluentes com baixas concentrações (DQO £ 2.500 mg/l), a taxa de aplicação volumétrica (TA) está limitada a 6 Kg – 10 Kg DQO/m³ reator . dia, para evitar o arraste do lodo anaeróbio causado por elevadas velocidades ascensionais de efluentes. Para essas taxas de aplicação o tempo de detenção hidráulico (TDH) é aproximadamente de 6 – 8 horas. Como resultado, os reatores UASB são baixos (4,5 metros – 6,0 metros) e ocupam uma área considerável. Para efluentes com altas concentrações (DQO > 2.500 mg/l), a TA está limitada a 8 Kg – 15 Kg DQO/m³ reator . dia e o fator limitante para o arraste do lodo anaeróbio é a turbulência causada pela elevada taxa de produção de biogás. Na parte superior do reator UASB está instalado o separador trifásico cuja função é separar a biomassa do efluente tratado (separação sólido-líquido) e também as bolhas de biogás geradas no processo, do efluente tratado (separação gás-líquido).Esta combinação de etapas de separação dificulta a otimização de cada função. Submetidos a altos carregamentos orgânicos, a turbulência na zona de decantação pode se tornar muito grande devido às elevadas taxas de produção de biogás, resultando no arraste para fora do reator de grande parte da biomassa ativa, comprometendo a eficiência do processo.
Para permitir a aplicação de elevadas taxas de aplicação como esperado nos reatores de leito expandido (EGSB), certamente é necessário um projeto mais eficiente de separação das três fases (S/L/G). Como a produção de biogás é o fator mais importante para geração da turbulência, buscou-se desenvolver um separador eficiente em dois estágios:
• Primeiro estágio: separar o biogás para eliminar a turbulência.
• Segundo estágio: separar os sólidos para reter a biomassa no reator.
2. Contato Efluentes / Microrganismos (Lodo Anaeróbio)
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Se o contato entre os microrganismos e os efluentes for pouco eficiente, a transferência de massa será prejudicada e não se conseguirá utilizar todo o potencial da atividade específica metanogênica da biomassa ativa presente no reator anaeróbio. A taxa de lodo (quantos quilogramas de DQO cada quilograma de lodo pode tratar por dia) certamente estará muito abaixo dos valores teóricos estimados.
Este contato pode ser melhorado com a expansão ou fluidização do leito de lodo granulado, conseguido com aplicação de maiores velocidades ascensionais de efluente e biogás (aumentando a relação altura/diâmetro do reator e aplicando recirculação de parte do efluente tratado), chegando-se ao conceito dos Reatores Anaeróbios de Leito Expandido (EGSB).
O projeto desse novo tipo de reator deverá permitir a aplicação de elevadas velocidades de líquido e gás.
Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC)
Dentre os vários projetos para reatores do tipo EGSB que buscam eliminar as deficiências encontradas nos reatores UASB, destaca-se o Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC) pela engenhosidade e simplicidade construtiva.
O Reator IC consiste basicamente na instalação de dois reatores UASB sobrepostos. O reator inferior recebendo um alto carregamento orgânico e o superior pouquíssimo carregado. Seu trunfo principal é a separação do biogás em dois estágios dentro do reator. O gás coletado no primeiro estágio proporciona o arraste (“gas-lift”) de efluente e lodo anaeróbio para o topo do reator de onde são separados e internamente recirculados à parte inferior do reator, procedimento este que lhe confere o nome.
Descrição do processo
O Reator IC consiste em um tanque cilíndrico, vertical, com altura variando de 16 a 25 metros e pequena área superficial. A Figura 2 mostra um esquema do Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC):
• O efluente (1) é bombeado para o reator entrando no sistema de distribuição (2) onde é misturado com o efluente tratado e o lodo anaeróbio recirculados.
• O compartimento inferior do reator abriga a zona de Leito Granulado Expandido (3), bastante carregada orgânica e hidraulicamente, onde cerca de 70% – 75% da DQO são convertidos em biogás. O biogás produzido nessa região é coletado pelo 1o separador de fases (4) e é utilizado para gerar o “gas-lift” que proporciona o arraste de efluente e lodo via tubulação de subida (5) para o separador gás-líquido (6) instalado no topo do reator.
Aqui o biogás é separado da mistura efluente/lodo e deixa o sistema (7). A mistura efluente/lodo é direcionada ao fundo do reator pelo tubo de descida (8) resultando no fluxo de circulação interna. O efluente que atravessa o 1o separador, livre da grande concentração de biogás, encontra a zona de polimento (9) onde a pequena parcela residual da DQO é degradada atingindo remoções de 75 % – 85%. O biogás produzido nessa área é coletado no 2o separador trifásico instalado na parte superior do reator, enquanto o efluente tratado deixa o reator pelos vertedores (11).
Principais características do reator IC
São cinco as principais características do Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC): a zona de mistura, a zona de leito expandido de lodo anaeróbio granulado, a zona de polimento e o sistema automático de recirculação e a forma/materiais de construção.
ZONA DE MISTURA: No fundo do reator o efluente que chega para o tratamento é efetivamente misturado com o lodo anaeróbio e o efluente da corrente de recirculação. Isto resulta numa diluição e condicionamento do efluente de entrada, minimizando os riscos de toxicidade e choques de carga orgânica e pH.
ZONA DE LEITO EXPANDIDO: Este setor do reator contém um leito de lodo anaeróbio granulado expandido altamente concentrado. A expansão/fluidização do leito é efetuada pela elevada vazão ascensional de efluente, recirculação e biogás produzido. O efetivo contato entre o efluente e os microrganismos resulta em uma alta atividade do lodo, que possibilita a aplicação de elevados carregamentos orgânicos com boa eficiência de conversão. Testes comparativos demonstraram que lodos anaeróbios granulados originários de reatores IC frequentemente apresentavam o dobro da atividade específica metanogênica de lodos de reatores UASB.
ZONA DE POLIMENTO: No primeiro separador conseguimos remover a maior parte do biogás produzido na zona de leito expandido. Com isso garantimos pouca turbulência na zona de polimento. A vazão de efluente que é recirculada internamente também ficará restrita ao compartimento inferior do reator, entrando na zona de polimento vazão idêntica a de entrada de efluentes no reator. Esses fatores proporcionam uma boa separação sólido/líquido, fazendo com que a biomassa seja retida no reator e o efluente saia clarificado pelos vertedores na parte superior do segundo separador. A pequena vazão de biogás gerada na zona de polimento será coletada e enviada ao tanque separador no topo do reator.
SISTEMA DE RECIRCULAÇÃO: A circulação interna é baseada no princípio do “gas-lift” e é controlada pela vazão de biogás produzida no reator (não é necessária a utilização de bomba). Portanto, a vazão de recirculação depende somente da DQO do efluente de entrada e seu controle é automático: quanto maior a DQO, maior produção de biogás na zona de leito expandido, maior vazão de recirculação e também maior diluição do efluente de entrada após a mistura na zona de mistura. Importante reafirmar que a vazão recirculada que permite um melhor contato efluente/microrganismos na zona de leito expandido, é coletada no primeiro separador, garantindo menores velocidades ascensionais previstas no projeto para a zona de polimento.
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO: Os Reatores IC têm alturas variáveis de 16 metros – 25 metros e por facilidade construtiva são cilíndricos, com diâmetros variando de 1,0 metro – 11,5 metros. O corpo do reator pode ser executado em aço inoxidável ou aço carbono revestido com proteção anticorrosiva. Em ambos os casos há um revestimento interno das paredes em plástico de engenharia, no fundo (evitar erosão na alimentação) e na parte superior para evitar a corrosão causada pela conversão de sulfetos. O teto de lodo na zona de mistura, o tanque separador gás/líquido e as tubulações internas sempre são construídas em aço inoxidável. Os separadores internos são construídos totalmente em plástico de engenharia (polipropileno) e ocupam toda a área superficial do reator. Estes cuidados garantem a longa vida útil do equipamento quando submetidos às condições do processo anaeróbio.
A Tabela 2 resume os requisitos básicos para o projeto de reatores UASB e IC.
Para ilustrar as diferenças na capacidade de tratamento entre os reatores anaeróbio UASB e IC apresentamos o dimensionamento para os efluentes de uma fábrica de bebidas.
Conclusões
O desenvolvimento do Reator Anaeróbio de Circulação Interna (IC) contribuiu para aumentar a viabilidade de implantação do processo anaeróbio para o tratamento de efluentes de indústrias de bebidas, pois apresenta as seguintes vantagens: menor área ocupada, menor suscetibilidade a produtos tóxicos/sobrecargas orgânicas/choques de temperatura e pH e, principalmente, menor custo de implantação.
Nos últimos anos foram instalados cerca de 530 reatores IC em todo mundo, sendo 115 no Brasil e América Latina. As indústrias de bebidas latino-americanas contam com 65 reatores IC: AmBev, Schincariol, Cervejaria Petrópolis, Quilmes-Argentina, Bavária-Colômbia, CBN–Bolívia, FNC–Uruguay, Polar-Venezuela, Kaiser, Pepsi-Cola, Cia. Muller, Refrigerantes Convenção, Rio de Janeiro Refrescos/Coca-Cola, Backus – Peru, JV Mais, Vonpar, Brasal, Coca-Cola Argentina.
Referências bibliográficas
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Presented at the 2ª Conference on Pretreatment of Industrial Wastewaters. October 16 – 18, Athens, Greece, 9 p.
Pereboon, J.H.F. e T.L.F.M. Vereijken (1.995). Methanogenic granule development in full scale internal circular reactors. Wat. Sci. Tech. Vol. 30, nr. 8, pp.9-21.
Vereijken,T; Driessen, W. and Yspeert, P., Anaerobic Treatment of low, medium and high strength effluent in the agroindustry,
Water Science and Technology, volume 40, N°8, (1999), 221-228.
